本發(fā)明屬于材料加工工程專業(yè)中的熱噴涂領(lǐng)域，具體的說是涉及一種用于制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材，該粉芯絲材主要應(yīng)用于鋁合金零部件的表面防護(hù)。

背景技術(shù)：

鋁在地殼中的含量位于金屬元素中第一位，資源非常豐富，性能優(yōu)良，應(yīng)用范圍也極其廣泛。由于鋁表面極易生成一層薄而致密的氧化膜，可以有效阻止腐蝕介質(zhì)向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，所以賦予了它優(yōu)異的耐腐蝕性能，也使得它可以代替鋼鐵應(yīng)用于存在一定程度腐蝕的環(huán)境里。但是相對(duì)于鋼鐵來說，鋁合金作為軟質(zhì)材料，常表現(xiàn)出硬度較低、耐磨損性能較差的缺點(diǎn)，不適于服役在存在磨損的工況環(huán)境下。解決此問題的傳統(tǒng)方法多為將成型鋁合金進(jìn)行后期熱處理操作，涉及工序復(fù)雜、周期較長、成本較高，因此，從材料本身提高鋁合金的硬度和耐磨損性能才是良策。近年來，非晶材料沒有晶界、位錯(cuò)、孔隙等結(jié)構(gòu)缺陷，能使鋁基非晶態(tài)合金材料具有與鋼鐵相當(dāng)?shù)挠捕纫约皟?yōu)異的防腐耐磨性能，可以克服常規(guī)鋁合金不耐磨損的技術(shù)缺陷。但是傳統(tǒng)鋁基非晶合金制備工藝存在諸如過于繁瑣、生產(chǎn)周期較長、效率偏低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致該類材料無法獲得更廣泛的應(yīng)用推廣。由于高速電弧噴涂技術(shù)可以提供極高的冷卻速率(＞10⁵K/s)，能滿足形成非晶的技術(shù)要求，因此基于材料制備與成形一體化思想，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)鋁基粉芯絲材合金成分，可制備出具有高硬度、優(yōu)異防腐耐磨性能的鋁基非晶涂層。

當(dāng)前，國際上已有采用高速電弧噴涂技術(shù)制備鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層的報(bào)道，但是它們存在一些不足。第一，該類涂層的非晶含量較低，不足20％(體積分?jǐn)?shù))，無法全面體現(xiàn)出非晶在材料中的作用；第二，加入了稀土材料，導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高；第三，材料成分中含有的元素較多，不利于理論研究與成分調(diào)控；第四，與已有文獻(xiàn)報(bào)道中傳統(tǒng)制備工藝獲得的相同合金體系的材料，涂層硬度相比略低。因此，研發(fā)低成本、少量組元的鋁基粉芯絲材，采用高速電弧噴涂技術(shù)制備出高非晶含量、硬度較高以及防腐耐磨綜合性能優(yōu)異的鋁基非晶涂層，對(duì)于服役于存在一定磨損和腐蝕工況下的鋁合金裝備的表面防護(hù)具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材，使用成本較低的鋁基粉芯絲材，利用高速電弧噴涂技術(shù)使用所述鋁基粉芯絲材可制備出非晶含量較高、硬度較高以及防腐耐磨綜合性能優(yōu)異的鋁基非晶涂層。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種用于制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材，所述粉芯絲材采用純鋁帶外皮包裹粉芯；所述的粉芯占粉芯絲材的質(zhì)量百分比為34-38％；所述粉芯的各組分及其質(zhì)量百分比為：Fe 12-16％；Nb 16-20％；Cr 3-5％。

優(yōu)選地，所述的粉芯占粉芯絲材的質(zhì)量百分比為34％；所述粉芯的各組分及其質(zhì)量百分比為：Fe 12％；Nb 17％；Cr 5％。

優(yōu)選地，所述的粉芯占粉芯絲材的質(zhì)量百分比為36％；所述粉芯的各組分及其質(zhì)量百分比為：Fe 16％；Nb 16％；Cr 4％。

優(yōu)選地，所述的粉芯占粉芯絲材的質(zhì)量百分比為38％；所述粉芯的各組分及其質(zhì)量百分比為：Fe 15％；Nb 20％；Cr 3％。

上述粉芯絲材的制備方法，按照上述粉芯絲材各組分百分比將粉芯稱重配料，并放入混粉機(jī)混合1小時(shí)；將10×0.4(寬度為10mm，厚度為0.4mm)純鋁帶軋制成U形，向U形鋁帶槽中加入混合均勻的粉芯；然后將U形槽合口，使粉芯包覆其中；最后經(jīng)多道拉絲拉拔減徑至直徑為2.0mm的絲材。

本發(fā)明的特點(diǎn)在于：

1.拓寬了電弧噴涂鋁基非晶涂層的材料體系，由于合金體系中含有可提高硬度的Fe元素，有效提高了涂層的整體硬度，相比已有電弧噴涂鋁基非晶涂層的硬度值提高了5～10％，更為接近塊體鋁基非晶合金傳統(tǒng)制備工藝獲得的材料硬度。晶態(tài)鋁合金的顯微硬度值普遍較低，即使經(jīng)過熱處理的鋁合金顯微硬度值也小于HV100，而本發(fā)明提供的鋁基非晶涂層顯微硬度值大于HV350，與45#碳鋼硬度相當(dāng)，有效提高了涂層整體耐磨損性能。

2.涂層非晶含量較高。根據(jù)日本非晶材料專家Inoue教授提出的塊體非晶合金成分設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則：①合金體系的主要組元元素必須在三個(gè)或三個(gè)以上；②合金體系中主要組元原子半徑尺寸差應(yīng)大于12％；③各組元之間存在大的負(fù)混合熱。本發(fā)明提供的粉芯絲材可制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層為四元合金體系；各組元原子半徑分別為：R_Al＝0.143nm，R_Fe＝0.127nm，R_Nb＝0.148nm，R_Cr＝0.127nm，原子半徑尺寸差約為12％；各組元之間的負(fù)混合熱焓值分別為：ΔH_Al-Fe＝-11kj/mol，ΔH_Al-Nb＝-18kj/mol，ΔH_Al-Cr＝-10kj/mol，ΔH_Fe-Nb＝-16kj/mol，ΔH_Fe-Cr＝-1kj/mol，ΔH_Nb-Cr＝-7kj/mol，使合金系統(tǒng)具有較大的負(fù)混合熱焓。這些條件均有利于非晶的形成，因此使得涂層非晶含量≥65％，便于實(shí)現(xiàn)非晶母相中彌散分布納米晶粒的復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)，有利于提升涂層的防腐耐磨綜合性能。

3.本發(fā)明所需原材料均為常見市售廉價(jià)合金材料，不及稀土粉末價(jià)格的五分之一，因此與已有報(bào)道相比在生產(chǎn)成本方面優(yōu)勢(shì)明顯。

4.本發(fā)明中加入了Cr元素，使涂層在腐蝕介質(zhì)中，極易在涂層表面形成Cr₂O₃鈍化膜，在不降低涂層整體硬度的同時(shí)，有力保障涂層的防腐性能比傳統(tǒng)防腐用純鋁涂層提高了2倍以上。

本發(fā)明有益的效果在于：

本發(fā)明提供一種用于制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材，通過合理設(shè)計(jì)粉芯絲材各組分的含量，采用現(xiàn)有高速電弧噴涂技術(shù)可在鋁合金基體表面形成連續(xù)致密的鋁基非晶涂層，涂層與基體結(jié)合良好；該涂層具有較高的非晶含量(體積分?jǐn)?shù)≥65％)，而且硬度較高、防腐耐磨性能優(yōu)異，可為輕度磨損工況下服役的鋁合金部件表面提供有效的防護(hù)，應(yīng)用前景十分廣泛。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的橫截面形貌。

圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的X射線衍射圖譜。

圖3為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的TEM形貌。

圖4為本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的硬度分布圖。

圖5為本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的X射線衍射圖譜。

圖6為本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的TEM形貌。

圖7為本發(fā)明又一優(yōu)選實(shí)施例制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的硬度分布圖。

具體實(shí)施方式

下面以具體實(shí)施例結(jié)合附圖來說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實(shí)施例1：一種用于高速電弧噴涂技術(shù)制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材及其制備方法

選用10×0.4(寬度為10mm，厚度為0.4mm)的純鋁帶，先將其軋制成U形，按照粉芯絲材各元素質(zhì)量百分比：12％Fe、17％Nb、5％Cr，將所取的粉末稱重配料后放入混粉機(jī)內(nèi)混合1小時(shí)后，加入U(xiǎn)形鋁帶槽中，填充率為34％，然后將U形鋁帶槽合口，使粉末包覆其中，再經(jīng)過多道拉絲減徑至直徑為2.0mm，最后將成品粉芯絲材繞制成出廠所需盤狀，并經(jīng)計(jì)量和包裝后形成可出廠產(chǎn)品。

以實(shí)施例1制備的粉芯絲材為材料，采用高速電弧噴涂技術(shù)在鋁合金表面制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層所用的噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電流為150A，噴涂電壓為32V，噴涂氣體壓力為0.65MPa，噴涂距離為180mm。

使用實(shí)施例1制備的粉芯絲材噴涂的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的橫截面形貌如圖1所示，可以看出：涂層組織均勻、結(jié)構(gòu)致密，呈明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層與基體結(jié)合良好，涂層孔隙率約為2.5％。圖2為Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的X射線衍射圖譜，發(fā)現(xiàn)約在2θ＝40°處出現(xiàn)了典型非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜特征，說明了涂層沉積過程中形成了非晶結(jié)構(gòu)，且存在Al、Fe、Nb、Al₃Nb等晶化相；經(jīng)擬合計(jì)算，涂層中非晶含量約為69％。經(jīng)檢測(cè)該Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的TEM圖片如圖3所示，可以看出涂層組織主要由非晶和納米晶相等組成。涂層平均顯微硬度為HV_0.1374，如圖4所示。

實(shí)施例2：一種用于高速電弧噴涂技術(shù)制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材及其制備方法

選用10×0.4(寬度為10mm，厚度為0.4mm)的純鋁帶，先將其軋制成U形，按照粉芯絲材各元素質(zhì)量百分比：16％Fe、16％Nb、4％Cr，將所取的粉末稱重配料后放入混粉機(jī)內(nèi)混合1小時(shí)后，加入U(xiǎn)形鋁帶槽中，填充率為36％，然后將U形鋁帶槽合口，使粉末包覆其中，再經(jīng)過多道拉絲減徑至直徑為2.0mm，最后將成品粉芯絲材繞制成出廠所需盤狀，并經(jīng)計(jì)量和包裝后形成可出廠產(chǎn)品。

以實(shí)施例2制備的粉芯絲材為材料，采用高速電弧噴涂技術(shù)在鋁合金表面制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層所用的噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電流為140A，噴涂電壓為34V，噴涂氣體壓力為0.65MPa，噴涂距離為200mm。

使用實(shí)施例2制備的粉芯絲材噴涂的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的X射線衍射圖譜如圖5所示，可以看出，約在2θ＝40°處出現(xiàn)了一個(gè)漫散射峰，這是典型的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的X射線衍射圖譜特征，說明涂層沉積過程中形成了非晶結(jié)構(gòu)；經(jīng)擬合計(jì)算，涂層中非晶含量約為72％。經(jīng)檢測(cè)Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的TEM圖片如圖6所示，可以看出涂層組織主要由非晶和納米晶相等組成。

實(shí)施例3：一種用于高速電弧噴涂技術(shù)制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的粉芯絲材及其制備方法

選用10×0.4(寬度為10mm，厚度為0.4mm)的純鋁帶，先將其軋制成U形，按照粉芯絲材各元素質(zhì)量百分比：15％Fe、20％Nb、3％Cr，將所取的粉末稱重配料后放入混粉機(jī)內(nèi)混合1小時(shí)后，加入U(xiǎn)形鋁帶槽中，填充率為38％，然后將U形鋁帶槽合口，使粉末包覆其中，再經(jīng)過多道拉絲減徑至直徑為2.0mm，最后將成品粉芯絲材繞制成出廠所需盤狀，并經(jīng)計(jì)量和包裝后形成可出廠產(chǎn)品。

以實(shí)施例3制備的粉芯絲材為材料，采用高速電弧噴涂技術(shù)在鋁合金表面制備Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層所用的噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電流為130A，噴涂電壓為34V，噴涂氣體壓力為0.7MPa，噴涂距離為180mm。

制備的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層的硬度分布圖如圖7所示，涂層平均顯微硬度為HV_0.1371。

從上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明提供的粉芯絲材，可制備出具有較高非晶含量、較高硬度和優(yōu)異防腐耐磨性能的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂層，可為輕度腐蝕、磨損工況下服役的鋁合金部件提供有效的表面防護(hù)，具有較廣闊的應(yīng)用前景。